充电桩谐波分析与仿真

2019-05-28葛笑寒

顺德职业技术学院学报 2019年2期

葛笑寒

（1.河南省高校节能照明工程技术研究中心，河南三门峡，472000；2.三门峡职业技术学院电气工程学院，河南三门峡，472000）

新能源汽车已成为汽车发展的主流，各种充电装置应运而生。但充电设备的整流器属于非线性设备，会对供电电网造成谐波干扰［1］。因此建设充电设施时要考虑谐波装置。文献［2］设计了复合控制系统效果较好，但控制运算较为复杂。文献［3］对三相整流式充电机，做了非线性电阻等效，提出谐波抑制的方法，适用于大功率应用。文献［4］分析了充电站谐波电流特性，同时还给出了谐波的工程算法。文献［5］研究了高频充电机引起的充电站谐波。但目前该类充电机的使用数量较少，当前，交流充电桩应用广泛，车载充电机的谐波也不容忽视。滤波器能够根据负载灵活补偿，能对谐波进行有效的抑制。针对车载充电机，研究该装置的谐波情况，将APFC电路用于充电装置分析，最后用Matlab/Simulink软件进行仿真验证。

1 车载充电机电路拓扑结构

1.1 系统工作原理

充电机系统结构如图1所示，充电桩输入220 V交流电，经过单相相不可控整流器或者全控桥整流，得到直流电，再经过高频变压器隔离的直流变换器后，平滑滤波，最终将直流电能传送给电动汽车的动力电池。在功率过程中，根据输出电流、电压、电池管理系统传送的电池参数来控制电路输入，经过前端电路和集成芯片的处理，结合控制策略产生直流功率变换控制信号。

图1 充电机系统结构

电动汽车动力电池组常使用“恒流恒压”两段式充电方式。刚开始充电时，使用最优的充电倍率进行恒流充电，同时限制充电电流，这一阶段的充电称“恒流”充电。随着充电的延续，电池端电压不断上升，当电池电压上升到最高充电电压时，保持恒压充电，这一阶段是“恒压”充电阶段。当然，充电过程必须有控制系统实现自动保护和控制功能。

1.2 谐波分析

电动车充电期间，可以使用RC回路等效高频功率变换电路［6］。而RC的值也会随着蓄电池的充电过程发生变化。因此将功率电路和蓄电池一起作为被控对象。但蓄电池变化非常复杂，是一个非线性系统。理想化之后，如图2所示，相当于大电容与小电阻的串联，功率变换电路等效为电感。输出电流的基波和谐波有效值和电源电压，滤波电感及等效电阻R有关。随着负载增加，谐波分量减小；滤波电感越大，谐波则越小。当电源电压、滤波电感和电容一定时，随着功率的增加，RC越小，则谐波越大。

图2 单相充电机模型

该电路输出电流可以用以下公式表示［7］：

（k=1，2，3）

交流电网侧电流正半周波形与输出直流电流相同，而负半周关于横坐标对称。电网侧电流不含偶次谐波分量。对交流侧电流进行傅里叶分解，可得：

式（2）中：

电流的有效值为：

根据以上公式，可知道I1、I和In只和ωRC有关。即该值越大，交流侧谐波分量越大，基波分量则越小，功率因数随该值增加而减小。交流侧只含有奇数次谐波，随次数的升高，谐波含量减少。

2 谐波补偿的APFC电路

2.1 APFC电路结构

无功补偿常用多重化整流或者有源电力滤波器实现，前者用于大功率领域。对于充电等小功率领域多用后者。车载充电机属于小功率设备，故采用后者。滤波器的构成如图3所示，其原理是通过电流采集和运算电路产生PWM脉冲信号控制整流桥的通断。整流装置将会产生和谐波电流反方向的电流，根据矢量合成原则，能够降低谐波。其核心是指令控制和补偿发生环节，后者主要由电流跟踪电路、主电路和驱动电路构成。

图3 APFC电路结构

2.2 控制系统构成

系统采用基于电压和电流的双闭环控制［8］，框架如图4所示。其中电压环为外环，采用PI调节器对直流电压控制；电流环为内环，而PI控制器只含有常数和阶跃函数，能对直流信号实现无差跟踪，但是对高频指令跟踪存在着较大误差，故采用PI控制的基础上添加重复控制，实现谐波补偿电流的跟踪控制。

图4 谐波补偿双闭环控制框

其中：N=fs/fr，fs为采样频率，fr为基波频率；K为控制器增益，可以调节稳定性与响应速度之间的矛盾；S（Z）用来校正低频增益接近为1。Zk是对被控对象控制延时进行补偿；而滤波器Q（Z）的选择将影响重复控制器的准确性和稳定性。

3 仿真分析

对于车载充电机的谐波分析一般采用单相不可控桥。利用Matlab/Simulink建立仿真模型，设电源电压为220 V，50 Hz，分别为45和50，滤波电感1 mH，电容2.5 uF。对充电机的充电过程进行谐波分析。充电开始后，首先进入恒流充电阶段，负载电流逐步上升达到峰值；然后转入恒压充电阶段。谐波补偿前后电网电流的波形图见图5。分析波形，发现恒流充电和恒压充电阶段，都存在较大谐波。采用滤波器后电流波形明显改善。

图5 谐波补偿前后电网电流的波形

在充电过程中，负载电流的畸变率也不断变化。如图6为恒流充电时谐波补偿前后电网电流的频谱图。在恒流充电阶段，负载电流畸变率为33.93%。经过谐波补偿后，波形畸变率大大降低；图7为恒压充电时谐波补偿前后电网电流的频谱图，恒压充电阶段，谐波补偿后，波形畸变率也显著减小。从图上也可以看出，谐波主要是奇次谐波，经补偿后大大减小了高次谐波。